Общие положения по оценке прочности деталей двигателя и обеспечения надежности его узлов

Прочность, в первую очередь теплонапряженных деталей, может быть достаточно точно оценена лишь при учете всей совокупности режимов работы двигателя в эксплуатации, принимая во внимание их продолжительность и чередование, которые существенно различны для отдельных типов двигателей в зависимости от назначения.

Прочность оценивается по напряжениям, возникающим в деталях ДВС. Под напряжениями принято понимать усилия в МПа, возникающие при работе в выбранном сечении детали.

Для всех типов двигателей расчеты теплового и напряженно-деформированного состояния деталей производят на следующих режимах:

1. Режим номинальной мощности при частоте вращения n_ном. На этом режиме, как правило, возникает максимальное значение температур наиболее нагруженных деталей, а в случае с наддувом добавляется максимальное давление газов.

2. Режим максимального крутящего момента, когда при частоте вращения n = (0,5…0,7) n_ном силы давления газов становятся максимальными, в особенности для двигателей наземного транспорта. Здесь силы инерции существенно ниже, что повышает нагрузки от газовых сил.

3. Режим холостого хода для высокооборотных двигателей при максимальной частоте вращения, допускаемой регулятором, достигает для дизельных двигателей n_хол = (1,05…1,07) n_ном, для двигателей с принудительным воспламенением n_хол = (1,1…1,15) n_ном, а для двигателей без ограничения регулятором – n_хол = (1,4…1,6) n_ном.

4. Проверочные расчеты при неустановившихся режимах во время пуска и сброса нагрузки, когда в некоторых рабочих циклах давление газа может превышать в 1,5 раза расчетное значение на установившихся режимах, а при сбросе нагрузки, когда угловая скорость значительно превосходит n_ном, возрастают силы инерции поступательно движущихся масс. Для деталей таких двигателей вводят коэффициент перегрузки 1,3…1,5.

Оценка прочности деталей двс

При оценке прочностной надежности ДВС применяют метод определения коэффициентов запаса прочности.

Под коэффициентом запаса прочности принимается отношение величины предельного допустимого напряжения _пред в эксплуатации при работе детали ДВС к максимальному расчетному значению напряжения _max, при заданных условиях.

(2.9)

Условие прочностной надежности имеет вид: n  [n], (2.10)

где [n] – допустимое значение запаса прочности.

Здесь нужно отметить, что значение s_max – это величина напряжений, полученных для определенного сечения детали по выбранной расчетной методике.

При постоянных по времени нагрузках рекомендуется [n] брать около 1,8…2,0, а при случайных переменных нагрузках [n] принимают 3…5.

Следует заметить, что коэффициентом запаса [n] оценивают неточность методики расчета напряжений в деталях. Они устанавливаются для каждой типовой детали ДВС на основании обработки результатов эксплуатации с помощью теории надежности.

Модель прочностной надежности детали двигателя включает модель материала, модель нагружения, модель формы детали и модель разрушения. Как показала практика, наиболее точно определить напряжения в деталях с учетом температурных и динамических воздействий позволяет применение метода конечных элементов.

Для предварительных расчетов вариантов конструкций допустимо использование типовых стержней, пластинок и оболочек. Но при практической оценке необходимо рассматривать материал детали как сплошной среды.

Многочисленные эксперименты показали, что использование модели сплошной среды при прочностных расчетах деталей двигателей правомерно и применение метода конечных элементов для оценки напряжений позволяет снижать запасы прочности в 2…3 раза.

Оценка прочности деталей связана с видом разрушения. По излому судят или это хрупкий мгновенный излом, или это усталостный от многоциклового нагружения, или это малоцикловый излом, или разрушение от ползучести материала при высоких температурах, или это термическая усталость при переменных тепловых нагрузках. Виды разрушения зависят также от свойств материала, главным образом, от

упругости и пластичности.

В зависимости от условий эксплуатации эти все характеристики могут быть постоянными или статистическими, т.е. имеющими значительный разброс значений, действующих нагрузок и температур.

В этом случае принимают для расчетов средние значения и учитывают закон распределения случайной величины. Обычно принимают нормальный закон распределения. На рис. 10 представлены нормальные распределения плотности фактора прочности материала  и напряженности . Приняв средние значения и за наиболее вероятные в эксплуатации, получим наиболее вероятный запас прочности,

, (2.11)

который зависит от величины разброса случайных величин. Как показывает практика, на вероятность разрушения больше влияет разброс значений прочности, чем разброс значений разрушений. Теория надежности машин и механизмов изучает методы повышения стабильности прочностных свойств материалов и действующих в эксплуатации нагрузок. По ней также оценивают необходимые запасы прочности по результатам длительной эксплуатации каждого элемента конструкции.

П рочностные свойства материалов для различных условий нагружения изучают по специальным стандартным методикам. В условиях одноосного напряженного состояния на гладких цилиндрических образцах как при однократной или длительной постоянной нагрузке растяжения, так и при циклическом нагружении.

При многоосном напряженном состоянии вычисляют эквивалентные напряжения _i и эквивалентную деформацию _i.

(2.12)

. (2.13)

В поршневых двигателях коэффициенты запаса прочности крепежных деталей, нагруженных постоянными усилиями затяжки, где кроме растягивающих напряжений существуют касательные напряжения от момента затяжки, следует рассчитывать по максимальному эквивалентному напряжению или максимальной интенсивности напряжений _imax. Для деталей работающих при высокой температуре принимают предел длительной прочности _дл.

.

З ависимость _дл удовлетворительно описывается степенной зависимостью , (2.14)

где А и m параметры материала, зависящие от температуры и характеристик разрушения. В логарифмических координатах эта зависимость имеет вид ломаной линии (рис. 11).

Кроме n_дл определяют коэффициент запаса по долговечности

, (2.15)

где _раз – время до разрушения;  – заявленный ресурс двигателя; n_дл – рекомендуется выбирать не менее 1,5.

Большинство деталей ДВС работают при переменных нагрузках. При этом детали кривошипно-шатунного механизма и привода клапанов подвергаются механическим нагрузкам, а детали цилиндропоршневой группы, турбокомпрессора, выпускной системы – как механическим, так и переменным тепловым нагрузкам. В этом случае, при высоких температурах форсирования ДВС, в деталях возникают деформации ползучести и релаксации температурных напряжений и происходит накопление остаточных напряжений, особенно в крышках цилиндров и поршнях, что может явиться причиной их разрушения.